MCU內(nèi)置LCD控制驅(qū)動器工作原理

隨著智能化的普及，現(xiàn)在很多應用場景下可能需要使用段碼式液晶顯示屏LCD，如：家用電器、工業(yè)設備、儀器儀表、樓宇自動化設備、醫(yī)用儀器、穿戴設備等等。這不僅是因為段碼式液晶顯示屏LCD具有顯示美觀、成本優(yōu)勢、功耗低等優(yōu)點，而且現(xiàn)在很多MCU都集成了LCD驅(qū)動模塊，使得開發(fā)變得更容易。今天我們結(jié)合瑞薩MCU給大家講述一下MCU內(nèi)置LCD控制/驅(qū)動器工作原理。段碼式液晶顯示屏LCD結(jié)構和顯示原理段碼式液晶顯示屏LCD內(nèi)部晶體在靜電場的功效下，晶體的排列方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而改變其透光性，從而可以看到顯示的內(nèi)容。LCD有一個偏轉(zhuǎn)閥值，當LCD兩端的電壓高于該閥值時，則顯示內(nèi)容；而低于該閥值時，則不顯示。一般段碼式液晶顯示屏LCD有三個主要參數(shù)：工作中電壓、Duty（相匹配COM數(shù)）和BIAS（偏壓，相匹配閥值），例如，3.0V、1/4Duty、1/3BIAS表明LCD的工作中電壓為3.0V，有4個COM，閥值大概是1.1V（3.0/3=1.0）。當加在某段LCD兩端的電壓大于1.0V時顯示，反之，不顯示。但是，LCD對于驅(qū)動電壓的反應不是很明顯，例如加1.0V電壓的時候，可能會微弱顯示，這就是通常說的“鬼影”。因此，要保證驅(qū)動LCD顯示的時候，加在LCD兩端的電壓要比閥值電壓大得比較多，而不顯示的時候，則要比閥值電壓小得比較多。需要注意的是，LCD的兩端是不能加直流電壓的，否則時間稍長會危害段碼式液晶顯示屏LCD晶體分子結(jié)構的電化學特點，造成顯示實際效果模糊不清，使用期限降低的不良影響，其毀滅性不能修復，這就要求保證加在LCD兩端的驅(qū)動電壓的平均電壓為0。所以，LCD使用分割掃描法，在任何時候只有一個COM掃描有效，其余的COM處于無效狀態(tài)。一個好的段碼式液晶顯示屏LCD控制器/驅(qū)動器，應該滿足：能提供不同數(shù)量的COM、Duty（相匹配COM數(shù)）和BIAS（偏壓，相匹配閥值），滿足不同規(guī)格LCD屏的驅(qū)動能夠提供多種分壓方式，提供內(nèi)部分壓，減少外圍電路分壓的元器件能夠提供內(nèi)部Boost升壓，滿足一些電池供電，電池電壓下降時，亮度還可以保持能夠提供內(nèi)部基準電壓穩(wěn)壓，避免分壓不準導致顯示出現(xiàn)“鬼影”能夠提供多個不同的基準電壓選擇，可以調(diào)整對比度能夠提供多種不同分割掃描法、驅(qū)動波形，滿足靈活選擇能夠不同的時鐘源和不同分割掃描幀率的選擇，滿足不同應用低功耗的要求瑞薩MCU內(nèi)置的LCD控制器/驅(qū)動器不但滿足上面的規(guī)格，而且還提供其他優(yōu)點功能：提供不同的時鐘源選擇，可選擇外部副時鐘32.768KHz，也可選擇MCU內(nèi)部低速或高速時鐘提供顯示數(shù)據(jù)寄存器，能通過自動讀取顯示數(shù)據(jù)寄存器進行段信號SEG和公共信號COM的自動輸出提供時間間隔閃爍功能，方便易用瑞薩MCU內(nèi)置的LCD控制器/驅(qū)動器1LCD控制器/驅(qū)動器框圖圖1為集成到瑞薩自有16bitsRL78系列核MCU中的LCD控制器/驅(qū)動器，圖2集成瑞薩32bitsRA4M1系列Arm核MCU中的LCD控制器/驅(qū)動器，兩者主要區(qū)別是LCD控制器/驅(qū)動器的工作時鐘選擇不同，RA4M1系列還可支持選擇內(nèi)部高速時鐘。圖1R7F0C001/R7F0C002/L12/L13/L1A/L1CLCD控制器/驅(qū)動器圖2RA4M1LCD控制器/驅(qū)動器①外圍允許寄存器0（PER0）：在將副系統(tǒng)時鐘（fSUB）用于LCD控制器/驅(qū)動器時設定。②LCD模式寄存器0（LCDM0）：LCD驅(qū)動電壓生成電路、顯示波形（A/B）和顯示的時間片DUTY的選擇。③LCD模式寄存器1（LCDM1）：此寄存器允許或者禁止顯示運行，允許或者停止升壓電路和電容分割電路的運行以及設定顯示數(shù)據(jù)區(qū)和低電壓模式。④運行速度模式控制寄存器（OSMC）：通過停止不需要的時鐘功能來降低功耗。⑤LCD時鐘控制寄存器0（LCDC0）：設定LCD源時鐘和LCD時鐘的寄存器，通過LCD時鐘和時間片決定幀頻。⑥記憶性液晶控制寄存器（MLCD）：控制記憶性液晶波形。⑦LCD升壓電平控制寄存器（VLCD）：能從升壓電路運行時生成的16種基準電壓（調(diào)整對比度）中選擇。⑧LCD輸入切換控制寄存器（ISCLCD）：設定CAPL/P126、CAPH/P127、VL3/P125引腳作為LCD功能運行的期間防止貫通電流的流入。2LCD控制器/驅(qū)動器的驅(qū)動波形驅(qū)動波形包括COM端口波形、SEG端口波形、COM和SEG之間電壓差波形，當各畫素對應的COM和SEG的電位差高于一定電壓（LCD驅(qū)動電壓VLCD，也就是閥值電壓）時，LCD顯示屏的各畫素就點燈。如果電位差低于VLCD，各畫素就熄燈。COM端口波形根據(jù)設定的時間片，如表所示的順序為公共信號的選擇時序，并且以其為一個周期進行重復運行。在靜態(tài)模式的情況下，COM0～COM3輸出相同的信號。SEG端口波形SEG信號對應LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器，在8個時間片方式的情況下，各顯示數(shù)據(jù)寄存器的bit0～bit7對應COM0～COM7。與公共信號輸出的各時序同步，讀數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。如果各位的內(nèi)容為“1”，就在轉(zhuǎn)換為選擇電壓后輸出到段引腳（SEG4～SEG38）。如果各位的內(nèi)容為“0”，就在轉(zhuǎn)換為非選擇電壓后輸出到段引腳（SEG4～SEG38）。在不是8個時間片方式的情況下，在A圖形區(qū)中各顯示數(shù)據(jù)寄存器的bit0～bit3對應COM0～COM3，在B圖形區(qū)中各顯示數(shù)據(jù)寄存器的bit4～bit7對應COM0～COM3。與公共信號輸出的各時序同步，讀數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)。如果各位的內(nèi)容為“1”，就在轉(zhuǎn)換為選擇電壓后輸出到段引腳（SEG0～SEG38）。如果各位的內(nèi)容為“0”，就在轉(zhuǎn)換為非選擇電壓后輸出到段引腳（SEG0～SEG38）。因此，必須先確認LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器使用的LCD顯示屏的前面電極（對應SEG信號）和背面電極（對應COM信號）是如何組合形成顯示圖形的，然后給顯示數(shù)據(jù)寄存器寫與顯示圖形一一對應的位數(shù)據(jù)。COM信號和SEG信號的輸出波形公共信號COM和段信號SEG輸出的電壓如表（a）-（d）所示。只有在公共信號COM和段信號SEG都為選擇電壓時才為±VLCD的點燈電壓（選擇），在其他組合時為熄燈電壓（非選擇）。靜態(tài)顯示模式時，公共信號COM的輸出波形，在LCD時鐘屬于的1個周期T（選擇或非選擇），前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平；段信號SEG的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平。1/2偏壓時，公共信號COM的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，輸出VL2電平；段信號SEG的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平。1/3偏壓時，公共信號COM的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL1分壓電平，后T/2輸出VL2電平；段信號SEG的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL2分壓電平，后T/2輸出VL1電平。1/3偏壓時，公共信號COM的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL4分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL1分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL2電平；段信號SEG的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出Vss分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）出VL2分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL1電平。1/4偏壓時，公共信號COM的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL1分壓電平，后T/2輸出VL2電平；段信號SEG的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL2分壓電平，后T/2輸出VL2電平。1/4偏壓時，公共信號COM的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL4分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2(在前半幀Tf/2)輸出VL1分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL3電平；段信號SEG的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出Vss分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL2分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL2電平。COM信號和SEG信號的輸出波形實例在此例子，以第7位的進行說明。需要根據(jù)顯示圖形并且通過COM0～COM3的各公共信號的時序，將表所示的選擇電壓和非選擇電壓輸出到SEG12引腳和SEG13引腳。因此，給SEG12對應的顯示數(shù)據(jù)寄存器（地址F040CH）準備“1101”即可。SEG12和各公共信號之間的LCD驅(qū)動波形例子如下圖所示。在選擇COM0時SEG12為選擇電壓，就知道LCD點燈電平+VLCD/–VLCD的交流矩形波的產(chǎn)生。SEG12和各公共信號之間的4個時間片的LCD驅(qū)動A波形例子（1/3偏壓法）SEG12和各公共信號之間的4個時間片的LCD驅(qū)動B波形例子（1/3偏壓法）3LCD控制器/驅(qū)動器的驅(qū)動電壓LCD驅(qū)動電壓VL1、VL2、VL3、VL4的提供，分為內(nèi)部升壓、電容分割和外部電阻分割。內(nèi)部升壓如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L內(nèi)置用于LCD驅(qū)動電源的內(nèi)部升壓電路。通過外接內(nèi)部升壓電路的電容器（0.47μF±30%），生成LCD驅(qū)動電壓。內(nèi)部升壓方式只能使用1/3偏壓法或者1/4偏壓法。內(nèi)部升壓方式的LCD驅(qū)動電壓和器件本身不是同一個電源，因此與VDD的變化無關，能提供固定的電壓。能通過設定LCD升壓控制寄存器（VLCD）來調(diào)整對比度。電容分割如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L內(nèi)置用于驅(qū)動電源的電容分割電路。通過外接電容分割電路的電容器（0.47μF±30%），生成LCD驅(qū)動電壓。電容分割方式只能使用1/3偏壓法。和外部電阻分割方式不同，電容分割方式?jīng)]有電流流過，因此能減小消費電流。外部電阻分割方式4LCD控制器/驅(qū)動器時鐘控制5LCD控制器/驅(qū)動器的數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示能從升壓電路運行時生成的16種基準電壓（調(diào)整對比度）中選擇。6LCD控制器/驅(qū)動器的數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示當用于靜態(tài)、2個時間片、3個時間片或者4個時間片時，如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L能通過設定BLON位和LCDSEL位，從以下3種選擇LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器：A圖形區(qū)（LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器的低4位）的數(shù)據(jù)顯示B圖形區(qū)（LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器的高4位）的數(shù)據(jù)顯示交替顯示A圖形區(qū)和B圖形區(qū)的數(shù)據(jù)（實時計數(shù)器（RTC）的固定周期中斷時序?qū)拈W爍顯示）注意在使用8個時間片時，不能選擇LCD顯示數(shù)據(jù)寄存器（A圖形、B圖形或者閃爍顯示）。閃爍顯示（A圖形區(qū)和B